基于SAFE法分析市售小磨香油的关键风味成分

杨旖旎,王林海,袁彬宏,岳杨,顾亚茹,韦小燕,周琦

中国农业科学院油料作物研究所 油料脂质化学与营养湖北省重点实验室/油料油脂加工技术国家地方联合工程实验室,湖北 武汉 430062

0 引言

芝麻油俗称小磨香油,是我国具有1600多年历史的传统风味型食用油,主要采用水代工艺制备,具体包括研磨、调温、均质、混合、搅拌等工序,这种复杂工艺可使小磨香油风味成分丰富,香气浓郁。小磨香油富含不饱和脂肪酸(>80%)、芝麻酚、木脂素等有益于人体健康的成分[1-2],且作为风味植物油的典型代表之一,深受消费者喜爱。已有学者对小磨香油的风味成分构成开展过研究,例如,尹文婷等[3]采用固相微萃取(SPME)技术从小磨香油中萃取了61种挥发性风味成分,其中吡嗪类占40%以上。李萍萍[4]采用SPME技术结合气相色谱-质谱(GC-MS)联用技术,从3种芝麻油中萃取了76种挥发性风味成分,其中从小磨香油中鉴定出42种挥发性风味成分,含量较多的是甲基吡嗪、2,5-二甲基吡嗪、2,3,5-三甲基吡嗪和3-乙基-2,5-二甲基吡嗪。目前鉴定芝麻油挥发性风味成分的方法主要集中于顶空-固相微萃取(Headspace-Solid Phase Micro-extraction,HS-SPME)法、同时蒸馏-萃取(Simultaneous Distillation Extraction,SDE)法、超临界CO2萃取(Supercritical Fluid Extraxtion-CO2,SFE-CO2)法等[5],但由于高温萃取或材料吸附的局限性,仍有较多风味成分未被真实捕捉到或已被改变原有状态。而溶剂辅助风味蒸发萃取(Solvent-assisted Flavor Evaporation,SAFE)法基于超低提取温度和高真空环境,可有效避免挥发性风味成分的流失,具有回收率高、香气成分真实等优点,已广泛应用于菜籽油[6]、特级初榨橄榄油[7]、生熟普洱茶[8]、白酒[9]等食品风味成分的萃取中,但鲜有利用该方法萃取小磨香油中挥发性风味成分的报道。同时,由于小磨香油风味成分构成复杂,传统GC-MS已无法满足其风味成分鉴定的需求。

基于此,本文拟以市售小磨香油为研究对象,采用SAFE法结合定性定量能力更佳的三重四级杆气相色谱-质谱联用技术,辅以相对气味活度值(Relative Odour Activity Value,ROAV)分析,以期明确市售小磨香油的关键挥发性风味成分,为从风味导向角度全面解析小磨香油风味构成和实现品质控制提供参考。

1 材料与方法

1.1 主要材料与试剂

金龙鱼小磨香油(一级),市售;二氯甲烷、乙醇、无水Na2SO4,国药集团化学试剂有限公司;2-甲基-3-庚酮、C5—C30正构烷烃、二甲基二硫醚、二甲基三硫醚、2(5H)-呋喃酮、5-甲基-2-呋喃甲醇、5-甲基呋喃醛、2-戊基呋喃、2-甲基-3-呋喃硫醇、己醛、糠醛、苯甲醛、1-甲基-2-吡咯甲醛、2-吡咯甲醛、苯乙醛、壬醛、5-甲基-2-噻吩甲醛、3-羟基-2-丁酮、苯乙酮、2-甲基吡嗪、2,5-二甲基吡嗪、2,3-二甲基吡嗪、2-乙基-6-甲基吡嗪、2,3,5-三甲基吡嗪、5-甲基-2-乙烯基-吡嗪、2-甲基-5-异丙基吡嗪、3-乙基-2,5-二甲基吡嗪、2,3-二乙基-5-甲基吡嗪、2-甲基己酸、戊酸、2-噻吩甲醇、1-苯基乙醇、吲哚,纯度≥95.0%,美国Sigma公司。噻唑、2-甲基噻唑、吡咯、2-乙酰基吡咯、四氢噻吩-3-酮、甲苯、乙基苯、苯乙烯、烟酸甲酯、对甲酚、苯酚、麦芽酚、2,6-二甲氧基苯酚、丁香酚、2,4-二叔丁基苯酚、嘧啶,纯度≥95.0%,梯希爱上海化成工业发展有限公司。以上试剂均为色谱纯。

1.2 主要仪器与设备

SAFE装置,德国Glasblaserei公司;JA2003数字型电子天平、DZKW-S-4型水浴锅,北京国华电器有限公司;Edwards EXT 75DX型真空泵,爱德华兹科技贸易有限公司;LD-D12SY型氮吹仪,山东莱恩德智能仪器有限公司;50 cm Vigreux柱,郑州天择仪器设备有限公司;HP-5 MS型毛细管柱(60 m×0.25 mm×0.25 μm),美国J&W公司;8890-7000 D型三重四级杆气相色谱-质谱联用仪,美国Agilent公司。

1.3 实验方法

1.3.1 小磨香油挥发性风味成分萃取根据X.Jia等[10]的方法,采用SAFE法萃取样品中的挥发性风味成分。称取50.0 g样品,加入150 mL二氯甲烷和100 μL 2-甲基-3-庚酮(0.816 mg/mL)作为内标物,密封后于4 ℃条件下水浴、超声波处理2 h;利用真空泵使SAFE装置内压保持在10-6kPa,萃取样品中的挥发性风味成分;待萃取物升温至25 ℃左右,加入无水Na2SO4进行干燥除水;利用Vigreux柱将萃取物浓缩至10 mL后,继续采用氮吹仪(纯度≥99.999%)将萃取物浓缩至200 μL;取1 μL浓缩后的萃取物进行GC-MS分析。

1.3.2GC-MS分析采用三重四级杆气相色谱-质谱联用仪,载气为He,气体流速为1.5 mL/min;利用毛细管柱进行分离;进样器温度为250 ℃,离子源温度为230 ℃;柱温箱初始温度设定为40 ℃,以4 ℃/min的速率上升到200 ℃,保持2 min,再以8 ℃/min的速率上升到280 ℃;分流比为1∶10,进样量为1 μL;溶剂延迟3 min;质谱扫描范围为40～400 amu。每个化合物的线性保留指数(LRI)参照相同条件下C5—C30正构烷烃的保留时间计算。在毛细管柱的出口处连接嗅闻端口,ODP2和MS检测器之间的分流比为1∶1,嗅闻分析重复3次。根据NIST 20数据库对挥发性风味成分色谱图进行检索和分析,并结合LRI进行定性分析。

1.3.3 定量分析采用内标法对小磨香油中的挥发性风味成分进行定量分析,内标物为2-甲基-3-庚酮(0.816 mg/mL),根据内标物的质量浓度和各个待测挥发性风味成分的相对峰面积比值进行计算,具体公式如下:

式中,Ci为待测挥发性风味成分的相对含量/(μg·kg-1);Cs为已知内标物的质量浓度;V为内标物的体积/μL;Ai为待测挥发性风味成分的相对峰面积;As为已知内标物的相对峰面积;M为芝麻油的体积/μL。

通常利用ROAV评估挥发性风味成分。一般认为当0.10≤ROAV<1.00时,该挥发性风味成分对整体香气特征有修饰作用;ROAV≥1.00时,该挥发性风味成分对整体香气特征有显著影响;ROAV越高,该挥发性风味成分的香气特征贡献度越大[11]。评估样品中挥发性风味成分对主要香气特征的贡献度,可根据以下公式计算:

式中,CA和OTa分别为挥发性风味成分的含量和感官阈值/(μg·kg-1);CMax和OTMax分别为总体挥发性最强风味成分的含量和感官阈值/(μg·kg-1)。

1.4 数据处理

使用SPSS 2021、Excel 2019、SIMAC 14.1进行数据处理和作图,所有实验均重复3次,数据结果取(平均值±标准差)。

2 结果与分析

2.1 小磨香油挥发性风味成分定性定量分析

小磨香油中挥发性风味成分及其含量见表1。由表1可知,小磨香油中共鉴定出107种挥发性风味成分,包括4种硫化物、10种呋喃类化合物、10种噻唑类化合物、6种吡咯类化合物、4种吡啶类化合物、5种噻吩类化合物、12种醛类化合物、4种酮类化合物、4种腈类化合物、23种吡嗪类化合物、4种苯环类化合物、3种酯类化合物、10种酚类化合物和8种其他类化合物,其中47种挥发性风味成分采用标准品鉴定。在已鉴定出的挥发性风味成分中,许多成分鲜有报道,例如甲基糠基二硫、4-甲基噻唑、2-乙酰基吡咯、3-甲基-2-乙酰基-吡嗪等。刘鑫等[12]和周易枚等[13]对比分析了市售芝麻油和水代法芝麻油的挥发性风味成分,发现水代法芝麻油在化合物种类上更丰富。王有菲[14]在对比不同产地、不同品种芝麻油挥发性风味成分时发现,吡嗪是芝麻油最主要的挥发性风味成分,其占比超过50%。赵宇航等[15]将微波生香技术应用于芝麻油预处理中,发现该技术能赋予芝麻油更浓郁的香气,其中呈香活性物质有91种。尹文婷等[3]从小磨香油中仅检测到61种挥发性风味成分。但本研究鉴定出的挥发性风味成分更多,且在重要呈香化合物吡嗪类中,2-异丙基吡嗪、2-乙基-3-甲基吡嗪、2-丙基吡嗪、2-甲基-5-异丙基吡嗪、异丙烯基吡嗪、(1-甲基乙烯基)-吡嗪、1-(5-甲基吡嗪基)-乙酮、3-甲基-2-乙酰基-吡嗪、2,3,5-三甲基-6-乙基吡嗪和2-甲基-3-甲硫基吡嗪这10种化合物在现有芝麻油相关文献中尚未见报道。

从半定量角度可知,在鉴定出的107种挥发性风味成分中,含量大于10 000.00 μg/kg的是2种酚类和3种吡嗪类化合物,分别是2-甲氧基苯酚(23 513.71 μg/kg)、2,4-二叔丁基苯酚(19 103.00 μg/kg)、2-甲基吡嗪(19 725.18 μg/kg)、2,5-二甲基吡嗪(16 425.24 μg/kg)和3-乙基-2,5-二甲基-吡嗪(10 308.50 μg/kg)。苯酚类化合物可能来源于加工过程中芝麻中羟基衍生物的脱羧反应或木脂素的降解[5],使小磨香油具有烟熏味。吡嗪类化合物是小磨香油中含量最丰富的香气活性物质,共鉴定出23种,且总含量最高(88 831.27 μg/kg),占42.33%。吡嗪类化合物主要由热加工过程中的芝麻还原糖和氨基酸热降解反应生成,具有焙烤香、坚果味、爆米花味、甜香味等香气特征[16]。含量大于1 000.00 μg/kg 的吡嗪类化合物共有11种,分别是2-甲基吡嗪、2,5-二甲基吡嗪、2-乙基吡嗪、2,3-二甲基-吡嗪、2-乙基-6-甲基吡嗪、2,3,5-三甲基吡嗪、2-乙基-3-甲基吡嗪、乙酰基吡嗪、3-乙基-2,5-二甲基-吡嗪、1-(5-甲基吡嗪基)-乙酮和3-甲基-2-乙酰基-吡嗪。有研究[11,13]发现,3种工艺(不香型、淡香型、浓香型)预处理获取的6个芝麻品种炒籽芝麻油中,2-甲基吡嗪和2,5-二甲基吡嗪的含量均最高,这与本研究结果较一致。

表1 小磨香油中挥发性风味成分及其含量Table 1 Classification and content of volatile flavor components in sesame oil

表1(续)

杂环类芳香化合物大多来自糖的非酶褐变和氨基酸的降解,以及热加工过程中发生的美拉德反应[17]。吡咯类化合物(6 887.43 μg/kg)和吡啶类化合物(1 672.13 μg/kg)赋予小磨香油焦香味、爆米花味和坚果味[13]。其中2-乙酰基吡咯(3 545.16 μg/kg)和吡咯(1 486.42 μg/kg)含量较高,2-乙酰基吡咯是芝麻油特征风味成分,在不同工艺提取的芝麻油中均存在[11]。噻吩类化合物(1 436.16 μg/kg)和噻唑类化合物(6 460.27 μg/kg)具有烤肉味和硫化物味[18],其中4-甲基噻唑(2 156.73 μg/kg)和2,4-二甲基-噻唑(1 197.43 μg/kg)含量较高。含氧的呋喃类化合物(15 431.42 μg/kg)赋予小磨香油甜香、焦糖味等气味,它们是焦糖化反应或脂质氧化反应的产物[19],其中2-呋喃甲醇(5 314.25 μg/kg)、5-甲基呋喃醛(4 254.15 μg/kg)、2-乙酰基呋喃(1 800.05 μg/kg)和2-甲基-3-呋喃硫醇(1 131.66 μg/kg)含量较高。

腈类化合物和硫化物赋予小磨香油烤芝麻味、焦香味、坚果味、焦糊味和烟熏味,二者属于硫苷代谢产物[20]。其中二甲基三硫醚(3 168.42 μg/kg)、二甲基二硫醚(2 510.25 μg/kg)、甲基糠基二硫醚(1 200.55 μg/kg)和1,5-二甲基-2-吡咯甲腈(1 862.67 μg/kg)含量较高。小磨香油中醛类化合物(10 952.31 μg/kg)和酮类化合物(1 728.43 μg/kg)主要来源于脂质氧化或氨基酸Strecker降解产物[16]。芝麻中脂肪酸的氧化会导致醛类、酮类等羰基类化合物逐渐生成,而强反应活性的羰基类化合物发生缩合反应或与其他氨基化合物进一步反应会形成杂环类化合物[19]。

2.2 小磨香油关键风味成分分析

各挥发性风味成分的贡献大小不仅取决于其含量,还与其阈值有关。关键风味成分虽然只占风味成分的一小部分,但决定了小磨香油的整体香气轮廓。通过比较各挥发性风味成分对小磨香油香气特征的贡献度,可确定其中的关键风味成分。小磨香油挥发性风味成分的ROAV见表2。由表2可知,利用SAFE法结合三重四极杆气相色谱-质谱联用从小磨香油中共鉴定出35种ROAV≥0.01的挥发性风味成分,更全面地获得了小磨香油的风味信息,也解释了小磨香油主要呈现卷心菜味、鱼腥味、硫磺味、烟熏味、爆米花味、油香和烤芝麻味风味特征的原因。

在ROAV≥1.00的4种关键风味成分中,包括2种硫化物,其中ROAV最高的是二甲基三硫醚(ROAV=100.00),但其阈值仅为0.03 μg/kg,对小磨香油风味的贡献度最大。二甲基三硫醚普遍存在于菜籽油和白酒中,是公认的重要硫化物风味成分,呈现卷心菜味、鱼腥味[21]。其次是甲基糠基二硫醚(ROAV=28.42),具有烘烤味,对小磨香油风味贡献度较大[22]。小磨香油中的硫化物含量虽较少,但由于低阈值,其风味特征贡献度特别显著。酚类化合物可能来源于植物籽中木质素的降解,2-甲氧基苯酚(ROAV=1.71)也曾在葵花籽油中被鉴定出[23],具有烟熏味。硫醇酸甲酯(ROAV=1.25)是首次在小磨香油中发现的一种关键风味成分,是硫磺味主要贡献化合物,目前尚未见其他相关报道。

表2 小磨香油挥发性风味成分的ROAVTable 2 ROAV of volatile flavour compounds in sesame oil

在0.10≤ROAV≤1.00的10种关键风味成分中,包括1种酚类化合物(4-乙烯基-2-甲氧基苯酚)、5种吡嗪类化合物(乙酰基吡嗪、2,3-二甲基-吡嗪、2,3,5-三甲基吡嗪、2-乙基-6-甲基吡嗪和3-乙基-2,5-二甲基-吡嗪)、2种呋喃类化合物(2-呋喃甲醇和2-甲基-3-呋喃硫醇)、1种硫化物(二甲基二硫醚)和1种醛类化合物(己醛)。其中4-乙烯基-2-甲氧基苯酚(ROAV=0.61)为小磨香油贡献了烟熏味,也是微波芝麻油中的重要风味成分[24]。吡嗪类化合物是热加工植物油主要的挥发性风味成分,其风味阈值较低[15],主要为小磨香油贡献坚果味、烤芝麻味、油香和焙烤味。在许多烘焙加工的植物油中检测到了呋喃类物质,主要赋予烘焙产品水果味、豆腥味和青草味[23],而2-呋喃甲醇和2-甲基-3-呋喃硫醇主要贡献烤肉味和焦糖味[25],在热加工食品风味中起着重要作用。己醛(ROAV=0.19)是植物油中最常见的醛类化合物之一,具有青草香,主要由亚油酸氧化产生[26]。

在0.01≤ROAV≤0.10的21种对小磨香油整体香气特征具有修饰作用的挥发性风味成分中,5种吡嗪类化合物(2-甲基吡嗪、2-乙基吡嗪、6-甲基-2-乙烯基-吡嗪、2-乙基-3-甲基吡嗪和2-乙烯基吡嗪)主要为小磨香油贡献了坚果味、焙烤味和烤芝麻味[27];2-乙酰基噻唑、1-甲基-2-吡咯甲醛、四氢噻吩-3-酮、2-乙酰基吡咯、噻唑、2,3-二甲基噻吩、2,4-二甲基-噻唑和4-甲基噻唑均属于Strecker降解产物[28],主要为小磨香油贡献了烘烤味、坚果味、爆米花味和硫磺味,其中,四氢噻吩-3-酮(蘑菇味)由美拉德反应产生[29]。另外,还有2种呋喃类化合物(5-甲基呋喃醛(焦糖味)和二氢-4-甲基 2(3 H)-呋喃酮(烘烤味)),2种醛类化合物(苯甲醛(杏仁香)和苯乙醛(蜂蜜味、花香)),以及对甲酚(烟熏味),丁香酚(丁香味、蜂蜜味),吲哚(樟脑味、臭味)和2,4-二叔丁基苯酚(脂肪味)。

3 结论

本文采用SAFE法结合三重四极杆气相色谱-质谱联用从市售小磨香油中共鉴定出107种挥发性风味成分,通过半定量分析及相对气味活度值(ROAV)计算共发现35种关键风味成分(ROAV≥0.01)对小磨香油的风味特征贡献显著,其中重要的风味成分包括乙酰基吡嗪、2-呋喃甲醇、2,3-二甲基-吡嗪、2,3,5-三甲基吡嗪、二甲基二硫醚、二甲基三硫醚、甲基糠基二硫醚、硫醇酸甲酯、4-乙烯基-2-甲氧基苯酚、2-甲氧基苯酚、己醛、2-乙基-6-甲基吡嗪、2-甲基-3-呋喃硫醇和3-乙基-2,5-二甲基-吡嗪,使小磨香油呈现卷心菜味、鱼腥味、硫磺味、烟熏味、爆米花味、油香和烤芝麻味。本研究丰富了小磨香油风味轮廓的物质构成,后续拟着重开展不同加工工艺参数对小磨香油风味品质的影响研究,明晰加工过程中关键香气成分的形成机理,为风味导向芝麻油产品的开发提供理论基础。